CN112610249A - 一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法 - Google Patents

一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法 Download PDF

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    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices, or the like

Abstract

本发明涉及一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法。本发明通过地面钻孔和定向钻进技术实现了高承压动水条件下的矿井底板水害预防与治理，并对注浆层位判定、灌注材料制备、灌注过程以及控制分别进行了改进。多层多分支灌注可以有效减缓动水流速，提高充填率和钻孔利用率，解决突水点无法精确探查的矿井底板水害灾害，并可以对矿井底板水害事故起到有效预防；通过地面钻孔和定向钻进技术相结合，可用于采空区底部岩层注浆充填，且适用于各种复杂地质条件。

Description

一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法
技术领域
本发明涉及一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，属于矿井安全生产防治水技术领域。
背景技术
近年来，随着国内井工开采技术的提高，煤炭资源的开发逐渐转向多层、分层开采和深部开采方向发展，受开采深度、重复采动和顶底板管理条件等因素的影响，极易诱发矿井底板水害事故，其造成的经济损失一直排在各类矿井灾害事故前列，严重制约着地下资源的开发利用以及矿区经济的可持续发展。此外，矿井底板水害事故可能直接导致工作面停产和大量人员伤亡，并时刻威胁着矿井的安全生产。
煤层底板存在高承压薄层强富水含水层，受底板覆岩复杂构造、水文地质条件等因素制约，矿井底板水害具有隐蔽性、突发性和随机性的特点。突水前，难以明确探查；突水过程中，突水点难以精确标定且突水水压高。因此，因此难以探查和治理。
目前，矿井底板水害的治理技术采用地面钻孔对煤层底板进行注浆处理，水泥浆液通过注浆管口对采空区底部导水裂隙进行填充，不仅注浆施工前期需要精准探查突水点和突水原因，而且在高承压动水条件下注浆，会导致跑浆和注浆工程量增加，造成水泥浆液的浪费。在注浆过程中，受高承压动水条件影响，水泥浆液通过突水裂隙大量涌入工作面对工作面造成破坏。此外，对于隐伏陷落柱或大断层等特殊致灾原因，前期难以探查，并对钻孔布设具有严格要求。
发明内容
发明目的：为了解决高承压动水条件下底板水害防治技术问题以及现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法。本发明的方案是：
一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，包括：
对灌注岩层和水平靶向覆盖区域进行判定，将注浆层位分为近工作面底板破碎带灌注层位和远工作面底板注浆层位；
向煤层底板不同层位施工垂直注浆钻孔并分别进行倾斜段钻孔定向钻进以形成主灌注孔；
利用主灌注孔分别向近工作面底板破碎带层位和远工作面含水层层位分别灌注骨料和注浆；
对垂直注浆钻孔以及倾斜段钻孔进行扫孔作业，待扫孔作业进行至预定层位时，再次开始侧钻和定向水平钻进以形成分灌注孔，其中，主灌注孔和分灌注孔共用垂直注浆钻孔；
利用分灌注孔分别向近工作面底板破碎带层位和远工作面含水层层位分别灌注骨料和注浆加固。
优选的，上述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，基于下式判定近工作面底板破碎带内灌注层位与工作面采空区的垂直间距H1：
Figure BDA0002852223460000021
式中，
和/或
根据下式判定远工作面底板注浆层位与工作面采空区的垂直间距H2：
Figure BDA0002852223460000022
和/或
根据下式判定灌注钻孔地下终孔的水平间距：
L＝k+15；
式中L0为工作面采空区的长度，h为工作面采空区下部近工作面灰岩含水层厚度；H0为采空区底板软弱岩层的厚度；k为工作面面底板灰岩含水层中的浆液扩散系数；
优选的，上述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，向近工作面底板破碎带层位灌注骨料包括：在初始阶段灌注平均粒径为0.25mm的面砂，中间阶段灌注平均粒径为0.35mm的中砂，终结阶段灌注平均粒径为0.5mm的粗砂；
和/或
向远工作面底板层位注浆的水泥浆液为单液粉煤灰-水泥稠浆，所述单液粉煤灰-水泥稠浆为掺杂了粉煤灰的单液水泥稠浆，其中水泥选用强度等级为42.5R的普通/复合硅酸盐水泥，粉煤灰与水泥比例应控制在3：7，浆液比重控制在1.5～1.6之间，造浆用水中硫酸根离子的含量应低于1％，且PH>4.5。
优选的，上述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，向近工作面底板破碎带层位灌注骨料包括：
通过地面钻孔和位于近工作面底板破碎带层位的水平钻孔直接对近工作面底板破碎带内层位进行骨料灌注，在骨料灌注过程中，根据地面钻孔的孔口压力范围将注浆过程分为三个阶段，其中，初始阶段负压为-0.04～-0.06MPa，灌注平均粒径为0.25mm的面砂；中间阶段负压为-0.06～-0.07MPa，灌注平均粒径为0.35mm的中砂；终结阶段为-0.07～-0.085MPa，灌注平均粒径为0.5mm的粗砂。
优选的，上述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，向远工作面含水层层位注浆包括：
通过地面钻孔和位于远工作面含水层层位的水平钻孔进行压水试验；并且当地面钻孔的孔口压力为负压时，开始进行单液粉煤灰-水泥浆液的灌注，当注浆泵压力增加时，减小注浆泵档位或减少注浆泵数量，直至注浆泵压力减小至0MPa；在单液粉煤灰-水泥浆液灌注过程中，当孔口开始冒浆时，停止单液粉煤灰-水泥浆液的灌注。
优选的，上述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，还包括加固远工作面底板层位，具体为：
当突水水源已经截流或突水点已经完成封堵时，对远工作面底板层位注浆钻孔的竖直段钻孔进行扫孔作业，当扫孔至预定层位时，开始侧钻和定向水平钻进第一预定孔位和第二预定孔位以形成两个底板分支灌注孔，利用底板分支灌注孔进行远工作面底板层位加固。
优选的，上述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，利用底板分支灌注孔进行单液水泥稠浆的注浆，注浆泵压力维持在8～10MPa，当注浆泵压力低于8MPa时，停止高压注浆作业。
优选的，上述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，所述第一预定孔位和第二预定孔位分别位于从远工作面底板注浆层位垂直注浆孔施工的所有的倾斜段钻孔的顶部和底部。
本发明的有益效果为：
本发明通过地面钻孔和定向钻进技术实现了高承压动水条件下的矿井底板水害治理，并对注浆层位判定、灌注材料制备、灌注过程以及控制分别进行了改进。多层多分支灌注可以有效减缓动水流速，提高充填率和钻孔利用率，解决突水点无精确探查的矿井底板水害灾害，并可以对矿井底板水害事故起到有效预防；通过地面钻孔和定向钻进技术相结合，可用于采空区底部岩层注浆充填，且适用于各种复杂地质条件。
附图说明
图1为本发明一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法的流程图；
图2为本发明利用地面钻孔实施多层位注浆的剖面钻孔示意图；
图3为本发明利用水平钻进实施多分支注浆水平钻孔示意图；
图中：1-近工作面底板破碎带内灌注层位地面钻孔；2-近工作面底板破碎带内水平定向钻孔；3-近工作面灌注层位地面孔口压力表；4-封口器；5-远工作面底板注浆层位地面钻孔；6-远工作面底板水平定向钻孔；7-远工作面注浆层位地面孔口压力表；8-封口器；9-水平靶向覆盖区域；10-近工作面底板破碎带内灌注层位分灌注孔；11-近工作面底板破碎带内灌注层位分灌注孔；12-远工作面底板层位分注浆孔；13-远工作面底板层位分注浆加固孔；14-远工作面底板层位分注浆加固孔。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步清楚、完整的说明。
本发明的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，所述离层注浆充填方法包括以下5个步骤:
第一步、确定灌注层位
如图1和3所示，根据地层信息和突水点区域分别对灌注岩层和水平靶向覆盖区域9进行判定，所述注浆层位主要分为近工作面底板破碎带灌注层位和远工作面底板注浆层位；所述近工作面底板破碎带内层位钻孔注入不同颗粒级配骨料，形成密实的截流充填体，以封堵底板突水通道；所述远工作面底板层位分别采用灌注和高压注浆的方式注入不同比重的水泥浆液，分别起到减缓底板动水流速和改造加固含水层的作用；
所述工作面底板含水层灌注层位需要根据工作面底板钻孔柱状图和预计突出点所在区域(边界)分别对灌注层位和水平钻进位置进行判定，具体为：
近工作面底板破碎带内的灌注层位与上部工作面(采空区)的垂直间距为：
Figure BDA0002852223460000041
远工作面底板注浆层位与上部工作面(采空区)的垂直间距为：
Figure BDA0002852223460000042
灌注钻孔地下终孔的水平间距为：
L＝k+15(3)
式中L0为工作面采空区长度；h为采空区下部近工作面灰岩含水层厚度；H0为采空区底板软弱岩层的厚度，若采空区底板不存在软弱岩层，则H0取为零；k为工作面面底板灰岩含水层中的浆液扩散系数，若近工作面底板灰岩含水层为软弱岩层，则k值取10，若近工作面底板灰岩含水层为中硬岩层则k值取20，若近工作面底板灰岩含水层为坚硬岩层则k值取30；
其中，软弱岩层指的是单轴抗压强度为小于30MPa或平均坚固性系数小于3的岩层；中硬岩层指的是单轴抗压强度为30～60MPa或平均坚固性系数为3～6的岩层；坚硬岩层指的是单轴抗压强度为大于60MPa或平均坚固性系数大于6的岩层；
近工作面底板破碎带内的灌注层位与远工作面底板注浆层位都应处于近工作面底板灰岩含水层层位，且所有注浆层位间距应大于20m。
第二步、地面钻孔定向钻进
根据第一步中近工作面底板破碎带灌注层位和远工作面底板注浆层位钻孔的靶向圈定位置，从地面向煤层底板进行不同层位的垂直注浆钻孔施工，然后分别进行倾斜段定向钻进；
第三步、制备灌注骨料和注浆浆液
根据不同的灌注层位和水平分支孔的终孔位置，制备三种不同平均粒径级配的骨料和两种不同注浆浆液；
近工作面底板破碎带灌注层位的不同灌注压力，筛分三种不同粒径的砂质骨料；初始阶段灌注平均粒径为0.25mm的面砂，中间阶段灌注平均粒径为0.35mm的中砂，终结阶段灌注平均粒径为0.5mm的粗砂；
远工作面底板层位灌注的水泥浆液为单液粉煤灰-水泥稠浆，所述单液粉煤灰-水泥稠浆为掺杂了粉煤灰的单液水泥稠浆，其中水泥选用强度等级为42.5R的普通/复合硅酸盐水泥，粉煤灰与水泥比例应控制在3：7，浆液比重控制在1.5～1.6之间，造浆用水中硫酸根离子的含量应低于1％，且PH>4.5；
远工作面底板含水层加固孔注入单液水泥稠浆，其中水泥选用强度等级为42.5R的普通/复合硅酸盐水泥，控制浆液比重高于1.6，造浆用水中硫酸根离子的含量应低于1％，且PH>4.5；
第四步、近工作面底板破碎带层位和远工作面含水层层位进行不同材料的灌注
a.对近工作面底板破碎带内层位主灌注孔进行骨料灌注
通过地面钻孔1和水平定向水平钻孔2直接对近工作面底板破碎带内层位进行骨料灌注，在骨料灌注过程中，通过地面孔口压力表3对灌注过程进行实时监测，并根据孔口压力进行不同粒径的骨料灌注。根据地面钻孔孔口压力处于不同预定压力范围时，进行不同粒径的骨料灌注，所述的不同预定压力范围根据注浆孔口负压划分，其中，初始阶段负压为-0.04～-0.06MPa，中间阶段负压为-0.06～-0.07MPa，终结阶段为-0.07～-0.085MPa；
在近工作面底板破碎带内层位灌注过程中，先通过地面钻孔1进行压水试验，当地面钻孔孔口1压力变为负压时开始进行骨料灌注。在骨料灌注过程中，地面灌注孔口负压随不同灌注阶段呈现先缓慢减小后增大的趋势，通过地面钻孔孔口的压力表3来确定灌注时机并调配灌注骨料的平均粒径。在骨料灌注的初始阶段，当地面灌注孔口负压为-0.04～-0.06MPa时，灌注平均粒径为0.25mm的面砂；在骨料灌注的中间阶段，当地面灌注孔口负压为-0.06～-0.07MPa时，灌注平均粒径为0.35mm的中砂；在骨料灌注的终结阶段，当地面灌注孔口负压为-0.07～-0.085MPa时，灌注平均粒径为0.5mm的粗砂。当孔口负压变为最小且不再减小时，不再调配灌注骨料的粒径，直至地面灌注孔口压力增大至0MPa，表明地下灌注孔口附近裂隙已完全填充，且近工作面底板破碎带层位骨料已成为固结为密实结石体。
然后开始对该钻孔1进行扫孔(塞)作业，待扫孔(塞)作业进行至预定层位时，开始侧钻和定向水平钻进。当钻进至预定灌注点10时，开始对灌注孔口进行压水加压试验，并在地面灌注孔口安装封口器4和压力表3，对钻孔内压力进行实时监测。
b.对远工作面底板层位主灌注孔进行注浆
在对远工作面层位主灌注孔进行注浆时，首先通过地面钻孔5和水平定向水平钻孔6进行压水试验，并通过地面钻孔孔口压力值7确定灌注时机。当孔口压力为负压时，开始进行单液粉煤灰-水泥浆液的灌注。在浆液的灌注过程中，通过注浆泵压力表对单位时间的浆液灌注量进行调整。当注浆泵压力增加时，减小注浆泵档位或减少注浆泵数量，直至注浆泵压力减小至0MPa。在单液粉煤灰-水泥浆液灌注过程中，当孔口开始冒浆时，表明远工作面底板层位主灌注孔附近裂隙已完成充填，停止单液粉煤灰-水泥浆液的灌注。此时，开始对该钻孔的竖直段钻孔5进行扫孔(塞)作业，待扫孔(塞)作业进行至预定层位时，开始侧钻和定向水平钻进，准备进行预定层位的分注浆孔12的材料灌注。
c.对近工作面底板破碎带内层位分灌注孔进行骨料灌注
对近工作面底板破碎带内层位分灌注孔进行骨料灌注时，通过孔口压力值确定灌注时机，当地面钻孔1孔口压力3变为负压时开始进行骨料灌注。在骨料灌注过程中，通过地面灌注孔口压力值3对骨料平均粒径进行调配，当地面灌注孔口负压为-0.04～-0.06MPa时，灌注平均粒径为0.25mm的面砂；当地面灌注孔口负压为-0.06～-0.07MPa时，灌注平均粒径为0.35mm的中砂；当地面灌注孔口负压为-0.07～-0.085MPa时，灌注平均粒径为0.5mm的粗砂。
当地面灌注孔口负压变为最小值且不再减小，不再进行骨料调配并维持该时刻灌注粒径骨料进行灌注。当地面灌注孔口负压变为0MPa时，表明工作面底板破碎带内层位该分灌注孔10内灌注骨料已固结形成结石体，然后开始对该钻孔的竖直段钻孔1进行扫孔(塞)作业，待扫孔(塞)作业进行至预定层位时，开始侧钻和定向水平钻进，准备进行预定该层位分灌注孔11的骨料灌注。
d.对远工作面底板层位分灌注孔进行注浆
在对远工作面层位分注孔进行注浆时，通过孔口压力值7确定灌注时机，当地面钻孔5孔口压力7变为负压时开始进行单液粉煤灰-水泥浆液的灌注。在单液粉煤灰-水泥浆液灌注过程中，通过地面注浆泵压力值对单液粉煤灰-水泥浆液量灌注速度进行调配，当地面注浆泵压力高于0MPa时，减小注浆泵档位或减少注浆泵数量。当孔口开始冒浆时，表明远工作面底板层位分注浆孔12附近裂隙已完成充填，停止单液粉煤灰-水泥浆液的灌注。
e.对远工作面底板层位进行注浆加固
在对远工作面层位进行注浆加固时，首先根据工作面或井下水位对注浆时机进行控制。当工作面或井下水位超过24小时维持不变或单位时间涌水量为矿井正常涌水量时，表明突水水源已经截流或突水点已经完成封堵，开始对远工作面底板层位注浆钻孔的竖直段钻孔5进行扫孔作业。当扫孔(塞)至预定层位时，开始侧钻和定向水平钻进至预定孔位13和预定孔位14，将注浆泵的高压注浆管与注浆孔口8连接，通过注浆泵压力值对注浆过程进行调整。在高压注浆过程中，采用单液水泥稠浆进行注浆工程，注浆泵压力维持在8～10MPa。当注浆泵压力低于8MPa时，表明远工作面底板含水层内出浆孔口附近可能产生新的劈裂裂隙，远工作面底板层位裂隙已完成注浆加固工程，停止高压注浆作业。至此，高承压动水条件下矿井底板水害治理技术应用完毕。
以上所述仅是本发明的优选实施技术，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明的实施例并非限定本发明的范围，而是由权利要求及相关的解释限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，包括：
对灌注岩层和水平靶向覆盖区域进行判定，将注浆层位分为近工作面底板破碎带灌注层位和远工作面底板注浆层位；
向煤层底板不同层位施工垂直注浆钻孔并分别进行倾斜段钻孔定向钻进以形成主灌注孔；
利用主灌注孔分别向近工作面底板破碎带层位和远工作面含水层层位分别灌注骨料和注浆；
对垂直注浆钻孔以及倾斜段钻孔进行扫孔作业，待扫孔作业进行至预定层位时，再次开始侧钻和定向水平钻进以形成分灌注孔，其中，主灌注孔和分灌注孔共用垂直注浆钻孔；
利用分灌注孔分别向近工作面底板破碎带层位和远工作面含水层层位分别灌注骨料和注浆加固。
2.根据权利要求1所述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，
根据下式判定近工作面底板破碎带内灌注层位与工作面采空区的垂直间距H1：
Figure FDA0002852223450000011
根据下式判定远工作面底板注浆层位与工作面采空区的垂直间距H2：
Figure FDA0002852223450000012
根据下式判定不同灌注层位水平定向钻孔终孔的水平间距：
L＝k+15；
式中L0为工作面采空区的长度，h为工作面采空区下部近工作面灰岩含水层厚度；H0为采空区底板软弱岩层的厚度；k为工作面面底板灰岩含水层中的浆液扩散系数。
3.根据权利要求1所述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，
向远工作面底板含水层层位注浆的水泥浆液为单液粉煤灰-水泥稠浆，所述单液粉煤灰-水泥稠浆为掺杂了粉煤灰的单液水泥稠浆，其中水泥选用强度等级为42.5R的普通/复合硅酸盐水泥，粉煤灰与水泥比例应控制在3：7，浆液比重控制在1.5～1.6之间，造浆用水中硫酸根离子的含量应低于1％，且PH>4.5；
向远工作面底板含水层层位加固孔注入单液水泥稠浆，其中水泥选用强度等级为42.5R的普通/复合硅酸盐水泥，控制浆液比重高于1.6，造浆用水中硫酸根离子的含量应低于1％，且PH>4.5。
4.根据权利要求1所述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，向近工作面底板破碎带层位灌注骨料包括：
通过地面钻孔和位于近工作面底板破碎带层位的水平钻孔直接对近工作面底板破碎带内层位进行骨料灌注，在骨料灌注过程中，根据地面钻孔的孔口压力范围将注浆过程分为三个阶段，其中，初始阶段负压为-0.04～-0.06MPa，灌注平均粒径为0.25mm的面砂；中间阶段负压为-0.06～-0.07MPa，灌注平均粒径为0.35mm的中砂；终结阶段为-0.07～-0.085MPa，灌注平均粒径为0.5mm的粗砂。
5.根据权利要求1所述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，向远工作面含水层层位注浆包括：
通过地面钻孔和位于远工作面含水层层位的水平钻孔进行压水试验；并且当地面钻孔的孔口压力为负压时，开始进行单液粉煤灰-水泥浆液的灌注，当注浆泵压力增加时，减小注浆泵档位或减少注浆泵数量，直至注浆泵压力减小至0MPa；在单液粉煤灰-水泥浆液灌注过程中，当孔口开始冒浆时，停止单液粉煤灰-水泥浆液的灌注。
6.根据权利要求1所述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，还包括加固远工作面底板层位，具体为：
当突水水源已经截流或突水点已经完成封堵时，对远工作面底板层位注浆钻孔的竖直段钻孔进行扫孔作业，当扫孔至预定层位时，开始侧钻和定向水平钻进第一预定孔位和第二预定孔位以形成两个底板分支灌注孔，利用底板分支灌注孔进行远工作面底板层位加固。
7.根据权利要求6所述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，利用底板分支灌注孔进行单液水泥稠浆的注浆，注浆泵压力维持在8～10MPa，当注浆泵压力低于8MPa时，停止高压注浆作业。
8.根据权利要求6所述的一种高承压动水条件下矿井底板水害防治方法，其特征在于，所述第一预定孔位和第二预定孔位分别位于从远工作面底板注浆层位垂直注浆孔施工的所有的倾斜段钻孔的顶部和底部。
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